汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及控制的分析研究

摘要：汽車乘坐的舒適性已成為考量汽車性能的一個(gè)重要指標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是汽車噪聲的主要來(lái)源，本文重點(diǎn)介紹、分析了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲類型及各種形成機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同的噪聲提出了相對(duì)的噪聲控制或降低噪聲的方法，并對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析研究。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；噪聲機(jī)理分析；降噪控制

目前，汽車已經(jīng)成為人們生活和工作中最重要的代步交通工具，而且隨著生活水平的提高，人們對(duì)汽車的要求是越來(lái)越高，現(xiàn)在已不僅僅局限于代步而已，更多的是偏向于乘坐的舒適性。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲是評(píng)價(jià)汽車舒適性性能的重要指標(biāo)之一。同時(shí)，據(jù)國(guó)外有關(guān)資料表明，城市交通噪聲70%來(lái)源于汽車，而我國(guó)汽車噪聲的55%來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的分析研究與控制具有重要的意義。發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械噪聲源于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的振動(dòng)，而主要零部件的振動(dòng)都直接或間接與曲軸的振動(dòng)有關(guān)。我們一般將發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲分為三種類型：燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)噪聲。

1 振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理分析

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲產(chǎn)生的原因是多方面的、復(fù)雜的，他不僅跟發(fā)動(dòng)機(jī)各組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，還跟各機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，而且有時(shí)還跟發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車前擎位置上的安裝情況、位置有關(guān)。對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的研究也由來(lái)已久，無(wú)論是相關(guān)科研院所，還是汽車制造企業(yè)都在噪聲分析與降噪方面做了大量的并且卓有成效的研究工作。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲研究從1957年開始出現(xiàn)相關(guān)研究文獻(xiàn)，2010年達(dá)到最熱，至今共有496篇相關(guān)論文。以下主要從三方面對(duì)噪聲的產(chǎn)生作簡(jiǎn)要的分析。

1.1 燃燒噪聲

燃燒噪聲顧名思義就是在混合氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體內(nèi)燃燒時(shí)，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，它是一種高頻段占比重的噪聲，主要方式是混合氣體燃燒形成的壓力振動(dòng)并通過(guò)缸蓋和活塞→連桿→曲軸→機(jī)體的途徑向外輻射、傳遞。燃燒噪聲的高低取決于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)混合氣體燃燒的方式及其速度大小。

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣四個(gè)行程，燃燒噪聲主要發(fā)生在從點(diǎn)火開始到燃燒結(jié)束的這段時(shí)間內(nèi)，壓力中高頻分量的主要來(lái)源是缸筒內(nèi)混合氣體的燃燒沖擊與燃燒壓力振蕩。同時(shí)，在燃燒室內(nèi)發(fā)生的急速的、高溫、高壓的燃燒也必將引起發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)。這些因素共同構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲。

1.2 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲主要是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體及其組成機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互運(yùn)動(dòng)、碰撞而造成的，主要的元素包括活塞敲擊缸套，曲軸運(yùn)動(dòng)，配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，皮帶輪、正時(shí)齒輪等運(yùn)轉(zhuǎn)造成的噪聲，噴油嘴噴油噪聲等，機(jī)械噪聲具有周期性，不可消失性等特點(diǎn)，他的大小跟發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性等因素有關(guān)。

1.2.1 活塞噪聲

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中主要有活塞跟曲軸兩大運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，其中動(dòng)力的來(lái)源是活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞在上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于其與缸筒有一定的間隙，這樣就會(huì)對(duì)缸筒壁產(chǎn)生一定的沖擊力、敲擊，并產(chǎn)生了振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)噪聲通常是發(fā)動(dòng)機(jī)最大的機(jī)械噪聲來(lái)源。

活塞對(duì)起港通壁的沖擊，主要是由于活塞跟缸壁之間的間隙噪聲的，同時(shí)為了密封，在活塞上面又安裝了兩道氣環(huán)和一道油環(huán)，這樣就噪聲活塞與缸壁之間的接觸不是一個(gè)整體的面接觸，同時(shí)在曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，連桿所受的力的方向不是垂直方向的，甚至側(cè)向力的方向在活塞從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)與活塞從下止點(diǎn)到上止點(diǎn)上都是變化的。這樣就造成了變化的交變力。這個(gè)交變力跟氣體壓力、摩擦力、慣性力的大小與方向有關(guān)。

1.2.2 配氣機(jī)構(gòu)噪聲分析

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)也是重要的機(jī)械噪聲來(lái)源。而且配氣機(jī)構(gòu)的零件多、剛性差、相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻繁，因此就易于激發(fā)振動(dòng)和噪聲。在這些零件中主要包括：凸輪軸上搖臂與挺桿之間的往復(fù)“搖頭”敲擊運(yùn)動(dòng)，氣門開、關(guān)時(shí)的與氣缸蓋的碰撞聲，推桿跟挺桿之間的摩擦碰撞聲，凸輪和挺桿間的摩擦振動(dòng)等。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)，由于速度較快，進(jìn)、排氣的速率也比較快，因此，氣門的開、閉頻率就會(huì)比較高，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸上的搖臂、推桿和挺桿的運(yùn)動(dòng)速度都比較大，因此這些機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)慣性就會(huì)很大，這樣在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)停止時(shí)就會(huì)產(chǎn)生比較大的沖擊，使整個(gè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。而且在振動(dòng)過(guò)程中還有可能產(chǎn)生氣門開閉不正常、傳動(dòng)鏈脫節(jié)、正時(shí)齒輪嚙合不穩(wěn)、產(chǎn)生“飛脫”和“反彈”等不規(guī)則運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

1.2.3 供油系噪聲分析

噴油系統(tǒng)也是柴油機(jī)噪聲的來(lái)主要來(lái)源之一，其主要是由噴油泵和高壓油管系統(tǒng)的振動(dòng)引起的，主要是由周期性變化的柱塞上部的燃油壓力、高壓油管內(nèi)的燃油壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力激發(fā)泵體自身振動(dòng)而引起的。該部分噪聲根據(jù)產(chǎn)生物體的不同可以分為機(jī)械噪聲和流體噪聲。

很明顯，機(jī)械噪聲就是供油系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊及摩擦，主要有齒輪泵、高壓油泵、進(jìn)油管路、回油管路、噴油泵凸輪、噴油嘴等結(jié)構(gòu)，這些機(jī)械結(jié)構(gòu)在重復(fù)運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生周期性的交變力沖擊。而流體噪聲主要是燃油在管路里流動(dòng)過(guò)程中，由于震蕩和慣性的作用從而會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的波形沖擊力，激發(fā)振動(dòng)噪聲，它沖擊管壁從而激發(fā)出大量振動(dòng)噪聲。

1.3 空氣動(dòng)力學(xué)噪聲分析

空氣動(dòng)力學(xué)噪聲是按照噪聲輻射的方式來(lái)分，是直接向大氣輻射的噪聲源，主要有進(jìn)、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲。在這幾個(gè)中，排氣系統(tǒng)是主要的噪聲源。

排氣噪聲按產(chǎn)生的原因分為三種：排氣門在打開過(guò)程中產(chǎn)生的周期性排氣噪聲；在管路里由于氣體渦流而；排氣系統(tǒng)各組成構(gòu)件之間以及其與尾氣之間產(chǎn)生的共鳴噪聲。

2 降低噪聲的方法分析

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲作為汽車噪聲的主要來(lái)源，為了提高汽車的舒適性，必須適當(dāng)?shù)乜刂撇⒔档驮肼?。噪聲控制的方法主要有從機(jī)械原理出發(fā)的噪聲控制、從聲學(xué)原理出發(fā)的噪聲控制等。

2.1 從機(jī)械原理出發(fā)的噪聲控制措施

隨著材料科技的發(fā)展，各種新型材料應(yīng)運(yùn)而生，用一些內(nèi)摩擦較大的合金高強(qiáng)度塑料生產(chǎn)機(jī)器零件：對(duì)于風(fēng)扇可以選擇最佳葉片形狀降低噪聲；齒輪改用斜齒輪或螺旋齒輪，嚙合系數(shù)大，可降低噪聲3～16dB；改用皮帶傳動(dòng)代替一般的齒輪傳動(dòng)，由于皮帶能起到減震阻尼作用；選擇合適的傳動(dòng)比也能降低噪聲。

同時(shí)也可以改進(jìn)一些零部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高零部件加工精度和裝配質(zhì)量，使它們之間的相互摩擦盡量減小，可以將噪聲降低。再者也可以通過(guò)減小偏心振動(dòng)和提高機(jī)殼的剛度等措施來(lái)減小噪聲。

2.2 從聲學(xué)原理出發(fā)的噪聲控制措施

目前噪聲控制措施主要有吸聲、隔聲、減震三種方法。吸聲是用特種材料來(lái)改變聲波的方向，使得噪聲產(chǎn)生后經(jīng)過(guò)特殊材料作用后及吸收掉一部分，反射回來(lái)的能量大大降低，達(dá)到降噪的目的。

隔聲降噪方法是用某種隔聲材料將聲源與周圍環(huán)境隔離，使輻射的噪聲不能通過(guò)該材料，直接傳播到周圍區(qū)域，從而達(dá)到降噪目的。

減震降噪是由于目前汽車的外殼都是由金屬薄板制成，車身行使過(guò)程中，各種振動(dòng)源產(chǎn)生的噪聲最終都傳到了車身上，而金屬薄片制成的車身以彈性波形傳播，同時(shí)引起車體上其他部件的振動(dòng)。防止發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、懸架及輪胎的振動(dòng)傳人車內(nèi)；這些問(wèn)題現(xiàn)在主要要通過(guò)加強(qiáng)地板、頂棚等大面積的鈑件的剛度，盡量少用大面積鈑金件的辦法來(lái)解決。

3 結(jié)語(yǔ)

汽車工業(yè)發(fā)展到今天，乘坐舒適性已成為衡量汽車性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，降低汽車噪聲研究必然是未來(lái)汽車科技的一個(gè)重要課題，汽車噪聲的治理應(yīng)走全方位綜合治理之路。首先，需要政府完善噪聲法規(guī)，為治理汽車噪聲提供強(qiáng)有力的法律保證和持久的推動(dòng)力；其次，從技術(shù)層面講，通過(guò)對(duì)噪聲產(chǎn)生機(jī)理（來(lái)源）和控制方法的分析研究，為汽車的降噪研究提供了理論依據(jù)也為未來(lái)的汽車發(fā)展指明了方向?？傊?，科技是治理汽車噪聲的根本途徑，各汽車廠商應(yīng)遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，利用一切科技手段，積極開展汽車消聲新技術(shù)研究，不斷促進(jìn)汽車的低噪聲化。

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項(xiàng)目來(lái)源：武漢商學(xué)院2015年校級(jí)科研項(xiàng)目

項(xiàng)目名稱：基于Matlab的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究（項(xiàng)目編號(hào)：2015KY010）

作者簡(jiǎn)介：郭偉（1984），男，碩士，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電控制等。